شماره مدرك
21230
شماره راهنما
2516 دكتري
پديد آورنده
احمدي، فرشته
عنوان
طراحي، بهبود و پياده سازي مبدل بسياركاهنده غيرايزوله با تعداد اجزاء مداري كم و بازده بالا
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
الكترونيك
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
نوزده، 148 ص: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
مبدل بسيار كاهنده , مبدل غير ايزوله , ضريب وظيفه گسترده شده , كليدزني نرم , بازده بالا
تاريخ ورود اطلاعات
1405/06/16
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
برق
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/06/17
كد ايرانداك
23243606
چكيده فارسي
امروزه با پيشرفت تكنولوژي، نياز به مبدلهاي بسيار كاهنده در زمينههايي چون شارژرهاي باتري، جوش الكتريكي، مبدلهاي اصلاح ضريب توان، ماژولهاي تنظيم ولتاژ، سيستمهاي مخابراتي، خودروهاي برقي و منابع تغذيه بدون وقفه بهشدت احساس ميشود. ساختار پايۀ مبدلهاي كاهنده، مبدل باك مرسوم است كه به دليل دارا بودن ساختار و عملكرد ساده، براي ايجاد ولتاژي كمتر از ولتاژ ورودي، در اغلب زمينهها بسيار مورد توجه قرارگرفتهاست. در مواردي كه به بهرۀ ولتاژ بسيار كمتري نياز است، مبدل باك پايه به عنوان مبدل ولتاژ بسيار كاهنده داراي محدوديتهايي از جمله ضريب وظيفة باريك، تنش ولتاژ بالاي قطعات نيمههادي، نوسان زياد جريان و بازده كم است. ضريب وظيفۀ كوچك، تأثيرات منفي بر روي بازده و عملكرد ديناميكي مبدل باك دارد و سبب افزايش حساسيت ولتاژ خروجي به تغييرات ضريب وظيفه و در نتيجه پيچيده شدن كنترل و مدار راه انداز گيت ميشود. مشكل ديگر ضريب وظيفة كوچك اين است كه سبب بزرگ شدن جريان مؤثر كليد اصلي شده و درنتيجه، به خصوص زمانيكه ولتاژ ورودي و تنش ولتاژ كليد بالاست، سبب افزايش تلفات هدايتي ميگردد. ساختار مبدلهاي بسياركاهنده را ميتوان به دو دستة مبدلهاي ايزوله و غيرايزوله تقسيم نمود. مبدلهاي بسيار كاهندۀ غيرايزوله را ميتوان به چند دسته از قبيل مبدلهاي آبشاري، درجه دو، با سلف سروسط، خازن كليدزنيشده، سلف كليدزنيشده، سلف تزويجشده، چند سطحي و مبدل باك با واحدهاي كليدزني سه وضعيتي، تقسيم نمود. در اين رساله، در مورد مزايا و معايب هر يك از روشهاي كاهش بهرة ذكرشده، بصورت مفصل بحث شدهاست.
پس از بررسي روشهاي كاهش بهره و با توجه به مزايا و معايب هر يك، هدف آن است كه ساختاري بسيار كاهنده، غيرايزوله با تعداد كم اجزاء در مقايسه با مبدلهاي موجود، با تلفات كم، چگالي توان بزرگ، پيچيدگي كم مداري و كنترلي ارائه شود. بنابر اهداف ذكرشده، در ابتدا، ساختار مبدل بسياركاهنده با كليدزني نرم و مبتني بر سلف تزويجشده ارائه شده است كه در ساختار خود تنها از يك كليد با شرايط كليدزني نرم تحت جريان صفر در زمان روشن شدن و تحت ولتاژ صفر در زمان خاموش شدن و يك يكسوساز سنكرون خودراهانداز با كليدزني نرم تحت ولتاژ صفر، بهره بردهاست. اين مبدل ساختار و كنترلي ساده شامل تعداد كم اجزاء را دارا بوده كه در نتيجه از پيچيدگي، افزايش حجم و وزن مبدل جلوگيري شده است. ساختار مبدل داراي زمين مشترك، بدون نياز به راهانداز گيت ايزوله و مناسب براي محدودة وسيع ولتاژ ورودي است. در ساختار ارائهشده، مسئلهي ايجاد پرش ولتاژ دو سر كليد ناشي از انرژي ذخيرهشده در سلف نشتي كه در مبدلهاي بسيار كاهنده مبتني بر سلف تزويجشده وجود دارد بصورت عمدهاي بر طرف شدهاست. علاوه بر اين، انرژي ذخيره شده در مدار كمكي بكاررفته در ساختار بسياركاهنده پيشنهادي اول، در نهايت به خروجي مدار منتقل ميشود. ايجاد شرايط كليدزني نرم، علاوه بر افزايش بازده، امكان افزايش فركانس و در نتيجه كاهش بيشتر حجم و وزن مدار را به همراه داشتهاست و دارا بودن يك كليد سبب كاهش هزينه، تلفات، حجم مدار و پيچيدگي كنترل ميگردد. مسئله موجود در ساختار بسياركاهندة پيشنهادي اول، تلفات خازني زمان روشن شدن تنها كليد اين مبدل، به دليل شرايط كليدزني نرم تحت جريان صفر است به همين دليل در ساختار ارائهشدة بسياركاهندة دوم، شرايط كليدزني نرم تحت ولتاژ صفر، در ازاء استفاده از كليد كمكي بطور كامل در زمان روشن و خاموش شدن براي كليد اصلي فراهم شدهاست. مدار كمكي بكاررفته در ساختار پيشنهادي دوم تنها از يك كليد كمكي، سلف و خازن دو سر كليد اصلي تشكيل شده اما سلف مدار كمكي بصورت تزويجشده با سلفهاي مؤثر در كاهش بهره بكارگرفته شدهاست. بنابراين نيازي به افزودن هستة مغناطيسي ديگري نبوده و در نتيجه از افزايش حجم، وزن و هزينة مدار جلوگيري شدهاست. علاوه براين، ساختار دوجهتهاي از مبدل پيشنهادي دوم با حفظ ويژگي كليدزني نرم نيز ارائه و بررسي شدهاست. دو ساختار اول جزء مبدلهاي بسيار كاهنده دستهبندي ميشوند اما ساختار پيشنهادي سوم، مبدل فوق كاهنده از دسته مبدلهاي درجه دو بوده كه علاوه بر ايجاد بهرۀ ولتاژ بسيار كم، شرايط كليدزني نرم تحت ولتاژ صفر در زمان روشن و خاموش شدن تك كليد اصلي در اين مبدل برقرار شدهاست. در نهايت چهار ساختار مبدلهاي بسياركاهندۀ درهمتنيده، به جهت فراهمآوردن امكان افزايش توان نسبت به ساختارهاي تكفاز پيشنهادي، ارائهشدهاست. با تمركز بر ادغام بخش كليدزني نرم در اين ساختارها، ساختارهايي درهمتنيده با پيچيدگي كم مداري و صرفه جويي در حجم، وزن و هزينه ارائهشدهاست.
چكيده انگليسي
With the rapid advancement of technology, high step-down converters are increasingly required in applications such as battery chargers, electric welding, power factor correction (PFC) converters, voltage regulation modules (VRMs), telecommunication systems, electric vehicles (EVs), and uninterruptible power supplies (UPSs). The conventional buck converter, owing to its simple structure and operation, is widely employed for step-down conversion; however, at very low voltage conversion ratios, it suffers from a narrow duty cycle, high semiconductor voltage stress, high current ripple, and low efficiency. A narrow duty cycle also degrades dynamic performance, increases the sensitivity of the output voltage to duty-cycle variations, complicates the control and gate-driver circuits, and increases the RMS current and conduction losses of the main switch, particularly under high input voltage and switch voltage stress. High step-down converters can be classified into isolated and non-isolated topologies. When input-output isolation is unnecessary, non-isolated structures are preferred because of their lower cost, smaller volume, reduced copper losses, and simpler output-voltage feedback. These converters include cascaded, quadratic, tapped-inductor, switched-capacitor, switched-inductor, coupled-inductors, multilevel, and three-state-switching-cell-based topologies, whose advantages and limitations are comprehensively investigated in this dissertation.
Based on this investigation, the main objective is to develop non-isolated high step-down converters with a low component count, low losses, high power density, and low circuit and control complexity. Accordingly, a coupled-inductors-based high step-down converter with soft switching is first proposed. It employs a single main switch with zero-current switching (ZCS) at turn-on and zero-voltage switching (ZVS) at turn-off, together with a self-driven synchronous rectifier operating under ZVS. The proposed topology features a common ground, eliminates the need for an isolated gate driver, supports a wide input-voltage range, and substantially suppresses the voltage overshoot caused by leakage-inductance energy. Furthermore, the auxiliary-circuit energy is ultimately transferred to the output, while soft switching enables higher switching frequencies and consequently reduces converter size and weight; the single-switch structure also reduces cost, losses, and control complexity. To overcome the capacitive turn-on loss of the first topology, a second high step-down converter is proposed, in which an auxiliary switch provides ZVS during both turn-on and turn-off of the main switch. Its auxiliary circuit consists of a single auxiliary switch, inductor, and capacitor, while the auxiliary inductor is magnetically coupled to the gain-reduction inductors, eliminating the need for an additional magnetic core and thereby avoiding any increase in volume, weight, and cost. A bidirectional version of this converter is also developed while preserving its soft-switching capability. The third proposed topology is a quadratic high step-down converter that provides a very low voltage conversion ratio while achieving ZVS during both turn-on and turn-off of its single main switch. Finally, four interleaved high step-down converter topologies are proposed to increase the power-processing capability compared with the proposed single-phase structures. By integrating the soft-switching circuits into the interleaved topologies, low-complexity solutions with reduced volume, weight, and cost are achieved.
استاد راهنما
حسين فرزانه فرد
استاد مشاور
احسان اديب
استاد داور
محمدرضا ذوالقدري , احمدرضا تابش , حميدرضا كارشناس